Die Arktis ist eine schwer zu besiedelnde Region. Die hier lebenden Pflanzen müssen mit starken Temperaturschwankungen und einer kurzen Vegetationsperiode fertig werden. Untersuchungen haben ergeben, dass hier nur wenige Pflanzenarten wachsen, aber die Forschung von Lovisa Gustafsson und Kollegen zeigt dies Ein Teil der Biodiversität in der Arktis ist verborgen.

Die Studie baut auf früheren Arbeiten auf, in denen drei Arten gefunden wurden Draba, oder Whitlow-Gräser, kann mehr als drei Arten sein. Diese unerwartete Vielfalt war auf reproduktive Isolation zurückzuführen. Obwohl Pflanzen ähnlich aussehen mögen, reproduzieren sie sich nicht miteinander, und die Hybriden, die sie produzieren, sind steril.

Diese Speziation ist eine Herausforderung für das aktuelle evolutionäre Denken. Wie Grundt als Kollegen in ihrem Aufsatz schreiben: „Die arktische Flora gilt seit langem als verarmen. Tatsächlich ist die Abnahme der biologischen Vielfalt mit zunehmendem Breitengrad eines der ältesten anerkannten Muster in der Ökologie. Diversität wurde jedoch typischerweise als Anzahl morphologischer oder „taxonomischer“ Arten quantifiziert. Über die biologische Artenvielfalt in der Arktis ist wenig bekannt, denn die Erkennung biologischer Arten erfordert Informationen über die reproduktive Isolation.“

Grundt und Kollegen schlagen vor, dass das arktische Draba eine reproduktive Isolation entwickelt hat, um neue Arten zu schaffen. Ein Problem mit der von diesen Autoren vorgeschlagenen Idee der reproduktiven Isolation ist, dass sie schnell ist. Reproduktive Isolation braucht Zeit, um sich zu entwickeln. Wie viel Zeit? In diesem Papier beziehen sich Gustafsson und Kollegen auf frühere Arbeiten, die sie für notwendig erachten vier Millionen oder acht Millionen Jahre zu entwickeln. Sie weisen darauf hin, dass dies ein Problem ist, wenn das geschätzte Alter der arktischen Tundra zwischen zwei und drei Millionen Jahren liegt.

So ist es Draba ein Freak, oder passiert etwas anderes in der Arktis, von dem wir nichts wissen?

Um das herauszufinden, experimentierten Gustafsson und Kollegen mit Arten, die in der zirkumpolaren Arktis gesammelt wurden. Sie wählten sechs Arten in vier entfernt verwandten Familien aus. Sie begannen dann, Pflanzen zu kreuzen, von denen angenommen wurde, dass sie die gleiche Art sind, die in verschiedenen Abständen voneinander gesammelt wurden. Dies brachte über siebenhundert Pflanzen hervor, die das Team bis zur Reife aufzog. Anschließend testeten sie, ob die Hybriden steril waren. Wenn die Pflanzen von der gleichen Art wären, würden Sie fruchtbare Nachkommen erwarten. Gustafsson und Kollegen gingen dann mit ihrer Studie einen Schritt weiter als die frühere Arbeit von Grundt und Kollegen. Sie sahen sich die Hybridsamen an.

Sie verwiesen auf andere Arbeiten, die herausfanden, dass selbst wenn Hybriden Samen produzierten, diese Samen möglicherweise nicht lebensfähig waren, was dazu führte hybrides Samenversagen. Es ist bekannt, dass Hybridsamenversagen kann sich schnell entwickeln. Dieses Versagen tritt normalerweise auf, wenn etwas die Entwicklung des Endosperms stört, des Teils des Samens, der die Energie zum Wachsen liefert.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Gustafsson und Kollegen schreiben: „Wir fanden heraus, dass sich starke Hybridinkompatibilitäten auch innerhalb von fünf (der sechs untersuchten) arktischen Arten entwickelt haben, die zu anderen Gattungen der Brassicaceae gehören (Cardamine bellidifolia und Cochlearia groenlandica) sowie zu anderen, entfernt verwandten Pflanzenfamilien; Saxifragaceae (Saxifraga hyperborea), Hahnenfußgewächse (Ranunculus pygmaeus) und Caryophyllaceae (Silene uralensis). Bemerkenswerterweise waren die meisten untersuchten Populationen jeder dieser fünf taxonomischen Arten sowie der drei von Grundt untersuchten Arten et al. (2006) haben Hybridinkompatibilitäten angesammelt und können daher als Vertreter von beginnenden Arten angesehen werden. Zukünftige Studien sind erforderlich, um eine mögliche morphologische Differenzierung zwischen diesen Populationen zu untersuchen, aber es ist bemerkenswert, dass innerhalb dieser Arten in der taxonomischen Literatur keine oder nur geringe intraspezifische morphologische Variationen berichtet wurden …“

Die Ergebnisse sind etwas überraschend. Es wird vermutet, dass es eine gibt Breitengrade in der Artenvielfalt. Die Tropen gelten als Hotspots, wo Sie die meiste Vielfalt finden, und wenn Sie sich zu den Polen bewegen, nimmt die Anzahl der Arten ab. Es ist eine Idee, die dadurch entstanden ist, dass man einen Teil der Vielfalt in der Arktis nicht erkannt hat. Anstatt dass die Kräfte, die die Speziation in den Tropen vorantreiben, nur stärker sind, können sie anders sein.

Ein Treiber für diesen Unterschied könnte sein genetische Engpässe. Ein kleiner genetischer Pool könnte zur Entwicklung genetischer Inkompatibilitäten zwischen Populationen führen. Unterstützt wird dies durch Arbeiten, die eine Abnahme der genetischen Vielfalt weg zeigen Beringia als Pflanzen nach der letzten Eiszeit die Arktis besiedelten.

Gleichzeitig bedeuten unzuverlässige Bestäuber, dass Selbstbestäubung die dominierende Fortpflanzungsstrategie für Pflanzen sein kann. Sie unterbinden den Austausch von Genen mit anderen Populationen oder reduzieren ihn zumindest drastisch und tragen dazu bei, Barrieren zwischen Pflanzen zu schaffen. Die Autoren schreiben, dass Selfing tatsächlich ein Problem war. „Unsere Ergebnisse sind insofern bemerkenswert, als alle fünf selbstbefruchtenden Arten, die wir erfolgreich gekreuzt haben, eine weit verbreitete intraspezifische Hybridsterilität aufwiesen, während die einzige Auskreuzungsart, für die wir Kreuzungsdaten erhalten konnten, Silene acaulis, dies nicht tat.“

„Unsere Ergebnisse, die eine weitverbreitete und rasch beginnende Artbildung in arktischen Pflanzen zeigen, stehen in starkem Kontrast zu einer Sichtweise der Arktis als „evolutionärer Gefrierschrank“ mit niedrigen Evolutionsraten und geringer Artenvielfalt aufgrund extremer Umweltbedingungen wie niedrigen Temperaturen und einer kurzen Vegetationsperiode , und Dürre …“, schreiben Gustafsson und Kollegen. „Vielmehr tragen unsere Ergebnisse zu einer wachsenden Zahl von Beweisen bei, die darauf hindeuten, dass sowohl Pflanzen als auch Tiere in hohen Breiten im Vergleich zu den Tropen höhere Artenbildungsraten sowie höhere Aussterberaten aufweisen könnten …“

FORSCHUNGSARTIKEL

Gustafsson, ALS, Gussarova, G., Borgen, L., Ikeda, H., Antonelli, A., Marie-Orleach, L., Rieseberg, LH, Brochmann, C., 2021. Rapid Evolution of Postzygotic Reproductive Isolation is Widespreaded in arktischen Pflanzenlinien. Annals of Botany. https://doi.org/10.1093/aob/mcab128